基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的智能農(nóng)業(yè)圖像處理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

鄧泓 楊瀅婷 劉志超 彭瑩瓊

摘要：為了使農(nóng)機(jī)能夠精確、實(shí)時(shí)、快速地獲取農(nóng)田及作物信息，開(kāi)發(fā)出基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的智能農(nóng)業(yè)圖像處理系統(tǒng)，通過(guò)該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輔助農(nóng)機(jī)智能作業(yè)，對(duì)農(nóng)田中路徑規(guī)劃、農(nóng)作物的自動(dòng)收獲，農(nóng)業(yè)植保等方面提供解決方案。

關(guān)鍵詞：實(shí)時(shí);智能農(nóng)業(yè);圖像處理

中圖分類(lèi)號(hào)：TP368.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2019）11-0160-02

0 引言

近年來(lái)隨著我國(guó)人口結(jié)構(gòu)的不斷老齡化，農(nóng)業(yè)作業(yè)人員的平均年齡日趨增長(zhǎng)，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)面臨人力不足，土地資源利用率低，作業(yè)效率低下等問(wèn)題。為了推進(jìn)我國(guó)的農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化建設(shè)，打造以農(nóng)業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)為支撐，包括傳感器、智能機(jī)器人、定位系統(tǒng)以及智能農(nóng)業(yè)圖像處理技術(shù)的現(xiàn)代農(nóng)業(yè)系統(tǒng)成為國(guó)內(nèi)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型的趨勢(shì)[1]。這種農(nóng)業(yè)系統(tǒng)可以將農(nóng)業(yè)信息技術(shù)與實(shí)際生產(chǎn)全面結(jié)合，對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)進(jìn)行高精度，高效率，高便捷的現(xiàn)代化操作，并且對(duì)農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理化升級(jí)，創(chuàng)造更多的經(jīng)濟(jì)效益[2]。

當(dāng)今，在計(jì)算機(jī)技術(shù)迅猛發(fā)展的背景下，計(jì)算機(jī)農(nóng)業(yè)圖像處理技術(shù)作為新型計(jì)算機(jī)綜合性交叉學(xué)科之一，其技術(shù)特點(diǎn)利用計(jì)算機(jī)技術(shù)對(duì)傳感器采集到的圖像進(jìn)行降噪、排除干擾、信息提取[3]。其本質(zhì)上是利用計(jì)算機(jī)模擬人眼對(duì)農(nóng)田系統(tǒng)進(jìn)行初步的信息采集與篩選，將農(nóng)田的實(shí)時(shí)圖像轉(zhuǎn)化成實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸給農(nóng)業(yè)系統(tǒng)。

在農(nóng)業(yè)系統(tǒng)作業(yè)中，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的時(shí)效性、精準(zhǔn)性尤為關(guān)鍵，作為其系統(tǒng)決策的數(shù)據(jù)來(lái)源，實(shí)時(shí)圖像的提取與篩選嚴(yán)然是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，必須考慮不同作業(yè)環(huán)境下，環(huán)境因素對(duì)圖像的干擾，如光線、角度、姿態(tài)位置等，因此必須采用科學(xué)合理的圖像處理技術(shù)對(duì)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1 系統(tǒng)框架

農(nóng)業(yè)機(jī)械裝載攝像機(jī)在作業(yè)過(guò)程中對(duì)檢測(cè)目標(biāo)進(jìn)行攝影，將所拍攝的實(shí)時(shí)圖片傳入至農(nóng)業(yè)機(jī)械搭載的無(wú)線傳感裝置中，無(wú)線傳感裝置與云端進(jìn)行實(shí)時(shí)的圖片信息傳輸，在云端服務(wù)器中對(duì)圖片進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理操作，處理完成所獲得的數(shù)據(jù)信息通過(guò)云端和無(wú)線傳感裝置的傳輸通道返回，再由無(wú)線傳感裝置給智能農(nóng)業(yè)機(jī)械發(fā)送相關(guān)指令完成數(shù)據(jù)傳遞和信號(hào)轉(zhuǎn)化，從而控制農(nóng)業(yè)機(jī)械進(jìn)行相應(yīng)農(nóng)業(yè)工作?？蛻?hù)端接收來(lái)自云端傳輸?shù)闹笇?dǎo)農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化作業(yè)所需的相關(guān)信息。

系統(tǒng)框架分為三個(gè)部分，分別是圖片采集終端、云平臺(tái)、遠(yuǎn)程控制終端（客戶(hù)端）對(duì)智能農(nóng)機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)圖片數(shù)據(jù)傳輸從而指導(dǎo)其作業(yè)。本系統(tǒng)靈活運(yùn)用無(wú)線通信技術(shù)、傳感器技術(shù)、圖像處理技術(shù)以及控制終端集成通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)業(yè)機(jī)械智能化、自動(dòng)化、精細(xì)化及靈活化作業(yè)性能。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

1.1 傳感器數(shù)據(jù)采集設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集終端提供了相關(guān)的光照強(qiáng)度采集、農(nóng)作物圖像采集、行駛方向角采集，位移數(shù)據(jù)采集。其中光照強(qiáng)度采集使用DM7113溫濕光照度一體傳感器，農(nóng)作物圖像采集使用CMOS傳感器，行駛方向角采集使用方位角傳感器，位移數(shù)據(jù)采集使用KTC直線位移傳感器。

1.2 終端控制設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)為實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，采用的是以太網(wǎng)技術(shù)。為了實(shí)現(xiàn)控制終端與云平臺(tái)的通信，系統(tǒng)采用電阻網(wǎng)絡(luò)R-R實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)電源由高頻變壓器， 電源穩(wěn)壓電路， 濾波電容和橋式整流構(gòu)成，具有穩(wěn)定性高的特點(diǎn)。LM317三端穩(wěn)壓器在線性集成穩(wěn)壓器中相對(duì)于其他穩(wěn)壓器是使用比較廣泛的，而且其性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜的特點(diǎn)使其受到大多數(shù)使用者青睞。在控制端單片機(jī)中，由于I/O口輸出電流比較小， 因此無(wú)法對(duì)電機(jī)等大功率負(fù)載進(jìn)行直接驅(qū)動(dòng)， 需要增加一項(xiàng)負(fù)載驅(qū)動(dòng)的功能。為了進(jìn)一步的提高系統(tǒng)的持久耐用性， 系統(tǒng)隔離元件使用了光耦的方式，而晶閘管由于其體積小、器械零接觸、安裝方便等優(yōu)點(diǎn)被選用作為驅(qū)動(dòng)電路[4]。

1.3 移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)的選用

本系統(tǒng)采用OneNET移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)計(jì)算、存儲(chǔ)等其他相關(guān)操作。OneNET是由中國(guó)移動(dòng)打造的PaaS物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)放平臺(tái)。該平臺(tái)可實(shí)現(xiàn)基于多類(lèi)型標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議和API開(kāi)發(fā)，極大程度上可滿足多設(shè)備高并發(fā)快速連接;在對(duì)終端設(shè)備的監(jiān)控管理、在線調(diào)試和實(shí)施控制等方面具有優(yōu)良性能;同時(shí)在數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方面OneNET也發(fā)揮超群，基于分布式的云存儲(chǔ)、消息對(duì)象結(jié)構(gòu)以及海量的數(shù)據(jù)調(diào)用接口對(duì)數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)高并發(fā)的讀寫(xiě)操作，確保數(shù)據(jù)安全。

1.4 終端-云平臺(tái)數(shù)據(jù)傳輸

本系統(tǒng)的終端數(shù)據(jù)傳輸是通過(guò)ESP8266無(wú)線模塊將接收后的圖像數(shù)據(jù)信息以打包的方式發(fā)送給移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)云平臺(tái)，采集終端和云端建立TCP連接后將指令轉(zhuǎn)化成二進(jìn)制或十六進(jìn)制，從無(wú)線模塊接收的圖像數(shù)據(jù)以HTTP協(xié)議將指令包裝成對(duì)象發(fā)送至云端，云端接收來(lái)自終端的圖像數(shù)據(jù)再對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)、存儲(chǔ)等相關(guān)操作[5]。數(shù)據(jù)傳輸示意圖如圖2所示。

1.5 遠(yuǎn)程控制終端

用戶(hù)小型PC端（手機(jī)APP軟件）建立網(wǎng)絡(luò)連接后，通過(guò)ESP8266將系統(tǒng)采集的圖像特征提取數(shù)據(jù)上傳至云端，用戶(hù)小型PC端（手機(jī)APP軟件）可對(duì)智能農(nóng)機(jī)各個(gè)作業(yè)場(chǎng)景下獲取的圖片信息進(jìn)行相應(yīng)的圖像處理技術(shù)從而獲得智能農(nóng)機(jī)所需的特征信息，用戶(hù)可實(shí)時(shí)發(fā)送控制命令給終端，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制[6]。

2 結(jié)語(yǔ)

基于實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的智能農(nóng)業(yè)圖像處理系統(tǒng)可根據(jù)農(nóng)田環(huán)境和作業(yè)需求通過(guò)不同作業(yè)情況下的圖像處理算法提取相應(yīng)的特征信息，它能夠指導(dǎo)農(nóng)機(jī)在農(nóng)田作業(yè)中達(dá)到精準(zhǔn)、高效的作業(yè)目的[7];該系統(tǒng)還為客戶(hù)端提供了便捷、可視化的操作界面，提升了用戶(hù)的使用感;該系統(tǒng)不僅可在多個(gè)作業(yè)場(chǎng)景中應(yīng)用，提供智能化解決方案，并且在智慧農(nóng)業(yè)領(lǐng)域具備更加廣泛的應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 姜忠愛(ài)，張曉輝，秦軍偉.計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)檢測(cè)中的應(yīng)用[J].農(nóng)機(jī)化研究，2004（06）：234-236.

[2] 張訓(xùn)飛.計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)及其在農(nóng)業(yè)工程中的應(yīng)用[J].信息與電腦（理論版），2019（13）：11-12.

[3] 張書(shū)彥，張文毅，余山山，付宇超.圖像處理技術(shù)在信息農(nóng)業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2017，45（22）：9-13.

[4] 莊衛(wèi)東，汪春.農(nóng)機(jī)直線行走作業(yè)DGPS導(dǎo)航算法研究[J].黑龍江八一農(nóng)墾大學(xué)學(xué)報(bào)，2006（06）：50-53.

[5] 郭海針，馬俊龍，徐海剛.基于機(jī)器視覺(jué)的農(nóng)業(yè)機(jī)械無(wú)人駕駛系統(tǒng)[J].農(nóng)機(jī)化研究，2009，31（06）：189-191.

[6] 馬訓(xùn)鳴.基于機(jī)器視覺(jué)的農(nóng)業(yè)機(jī)械無(wú)人駕駛研究[J].西安石油大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2004（05）：71-73.

[7] 林燕，趙雪章，齊明.基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能農(nóng)業(yè)大棚系統(tǒng)[J].湖北農(nóng)機(jī)化，2019（19）：59-60.